高层建筑结构设计的几个指标的控制

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摘要：本文从周期比、位移比、刚重比、刚度比、层间受剪承载力之比、轴压比以及剪重比等六个方面综述了高层建筑结构设计的指标控制，希望对以后的工作有一定的帮助。

关键词：高层建筑；周期比；位移比；刚重比；剪承载力；

前言：高层建筑与多层结构相比有明显不同的受力和变形性能，水平荷载混合地震作用是主要的控制内容。判断结构布置合理性和结构体系的经济性能是高层建筑结构设计的关键，设计结构规范用语控制高层建筑整体性的指标主要有：周期比、位移比、刚重比、刚度比、层间受剪承载力之比、轴压比以及剪重比等。

1.周期比

周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值。周期比控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系。它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大（相对于侧移）的扭转效应，而不是在要求结构具有足够大的刚度。调整结构周期比的措施主要有两种：第一种是提高结构的抗扭刚度。这样可以改善结构的抗扭性能，是解决结构抗扭薄弱的根本方法。提高抗扭刚度一般需要调整结钩布置，增加结构周边构件的刚度，江都结构中间构件的刚度；有时要改变结构类型，如增加剪力墙、异形柱等。这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。调整原则是要加强结构外圈刚度，或者削弱内筒降低结构中间的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度；第二种是降低平动度，使平移周期加长。此种方法仅适用于原来结构刚度较大，层间位移远小于规范限值的情况。

2.位移比及其调整措施

2.1 位移比

位移比是控制结构平面规则性的重要指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值得比值。结构是否规则、对称、平面内刚度分布是否均匀，是结构本身的性能，可以用结构刚心与质心的相对位置表示，二者相距较远的结构在地震作用下扭转可能较大。由于刚心与质心位置都无法直接定量计算，规范采用了校核结构位移比的要求。在楼板平面内无限刚性的假定下，增加了附加偏心距L5%计算校核位移比。位移比是一个相对值，在相同的位移比下，当结构刚度较小、平均侧向位移较大时，扭矩产生的最大位移也大，对结构的危害也较大。相反，如果是同样的位移比，当结构侧向位移较小时，最大位移也相对较小；此时可以将位移比与位移最大值进行综合考虑，适当放宽位移比的限制值。

2.2 调整位移比的措施

提高结构的抗扭刚度。主要通过调整结构布置来实现，与周期比的控制措施相同；提高结构的抗扭承载力。当结构布置的调整较困难时，可以在设计中考虑“双向地震组合”以提高结构的承载能力，或增大计算扭矩，将附加扭矩加大，增大构件设计内力，提高结构的抗扭承载力。同时也应增加抗震构造措施和延性措施，提高结构变形的延性，加强局部薄弱部位；设置防震缝。当结构平面复杂、不对称或各部分刚度、高度和重量相差悬殊时，调整抗扭刚度难以满足规范要求，可以设置防震缝，把整个结构分成几个相对独立的规则结构。同时防震缝也可起沉降缝和温度缝的作用。

3.刚重比

刚重比是控制结构整体稳定的重要因素，也是影响重力二阶效应的主要参数，是结构刚度与重力荷载之比。重力二阶效应包含两部分：第一部分是有构件挠曲引起的附加重力效应；第二部分是由水平荷载产生侧移，重力荷载由于侧移引起的附加效应。一般只考虑后一种，前一种对结构影响很小。当结构侧移越来越大时，重力产生的附加效应也越来越大，从而降低构件承载力直至失稳。

4.刚度比

刚度比是控制结构竖向规则的重要指标，体现了结构整体的竖向匀称度。楼层侧向刚度可取该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。在判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌同端、转换层高度是否满足要求时，都是用层刚度比作为依据。规范提供了三种层刚度的计算方法：楼层剪切刚度、剪弯刚度和楼层平均前力与平均层间位移比值的层刚度。楼层层刚度比的变化主要由于竖向构件不连续、楼板大开洞、层高有较大变化等造成的。由于层刚度产生的薄弱层，可以通过调整结构布置和材料强度等级以避免薄弱层地出现。对于不能避免出现的结构薄弱层，规范要求其地震剪力乘以1.15的增大系数，同时应加强抗震延性构造措施，提高结构的抗震等级、楼板加强、弱连接结构的加强等，从而加强楼层弱部位。

5．层间受剪承载力之比

层间受剪承载力之比也是用来控制结构竖向不规则的重要指标。层间受剪承载力是指所考虑的水平地震作用方向上，该层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和。楼层抗剪承载力的简化计算，只与竖向构件尺寸、配筋有关，与他们的连接关系无关。由于楼层承载力产生的薄弱层，只能通过调整配筋提高结构的承载能力来解决，如提高“超配系数”等。

6.轴压比

轴压比是控制框架柱截面延性性能的主要指标，是指柱在考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。控制轴压比限值的目的的是要求框架柱截面达到具有较好延性性能的打偏压延性破坏状态，以防止小偏压状态的脆性破坏。从而保证框架结构在罕遇地震作用下，即使超出弹性极限仍具有足够大的弹塑性极限变形能力，实现“大震不倒”的设计目标。控制轴压比限值的调整措施有：提高筋的横向约束能力，包括体积配率和筋的强度与构造形式等；提高混凝土的强度等级，这样可以提高核心区混凝土抗压碎的能力或核心区混凝土的极限压应变能力；提高纵向钢筋和配筋率与强度，这样可以提高柱周边纵向钢筋承担截面轴压的能力，相应减小了核心区混凝土的压应力，提高框架柱的变形能力；采用轻质高强的新材料，如采用钢结构建筑体系等，减小上部结构的重量。

7.剪重比

剪重比是反映地震作用大小的重要指标，是对应于水平地震作用标准值得剪力与重力荷载代表值得比值。由于在长期作用下，地震影响系数下降较快，计算出来的水平地震作用下的结构效应可能偏小。而对于长周期结构，地震地面运动速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用，但采用振型分解法时无法对此作出较准确的计算。

结束语：

高层建筑结构设计是一个复杂的过程，应从结构设计入手，选择结构平面、立面布置、尽量规则，以及抗震和抗风性能好的结构体系，并通过控制这些指标，使高层的结构布置更加合理，达到更好、更安全、耐久的节能环保效果。

参考文献：

[1] 施楚贤．砌体结构理论与设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003．